EP0011570B1 - Die Ladungsübertragung in einem Halbleiter verwendende Filtervorrichtung - Google Patents

Die Ladungsübertragung in einem Halbleiter verwendende Filtervorrichtung Download PDF

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EP0011570B1
EP0011570B1 EP79400865A EP79400865A EP0011570B1 EP 0011570 B1 EP0011570 B1 EP 0011570B1 EP 79400865 A EP79400865 A EP 79400865A EP 79400865 A EP79400865 A EP 79400865A EP 0011570 B1 EP0011570 B1 EP 0011570B1
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EP
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filter
charge transfer
charge
capacities
weighting
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EP79400865A
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EP0011570A1 (de
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Roger Benoit-Gonin
Daniel Forster
Jean-Edgar Picquendar
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H15/00—Transversal filters
    • H03H15/02—Transversal filters using analogue shift registers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C27/00—Electric analogue stores, e.g. for storing instantaneous values
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors

Definitions

  • the present invention relates to a filtering device using the transfer of electrical charges in a semiconductor.
  • weighted charge quantities are generally read differently and this differential signal constitutes the electrical output signal of the device.
  • the transverse charge transfer filters are used in particular as low-pass and band-pass filters.
  • a frequency response curve defined in a rigorous manner in particular with regard to the attenuation provided by the filter in a given frequency band and outside this band, with regard to the ripple residual in bandwidth, and the slope of the transition zone towards the bandwidth, the number of weighting coefficients and therefore of stages of the shift register must be greatly increased.
  • a transverse charge transfer filter comprising 500 stages has thus been described in an article in the American review “I.E.E. Journal of Solid-State circuits •, volume SC 11, pages 75 to 84 of February 1976.
  • transverse charge transfer filters are therefore their size. It should also be noted that when the number of stages becomes large, practically when it exceeds fifty, the performances obtained with these filters no longer correspond to those predicted by theory.
  • the alogic filters are switched capacitor filters, which each comprise one or more amplifiers composed solely of capacitors and MOS transistors operating in switching mode, and the transverse charge transfer filter a all of its positive weights and does not have a differential amplifier.
  • the transfer function of a transverse charge transfer filter only includes transmission zeros and no poles.
  • the two analog filters used only play an additional role and do not, in particular, make it possible to decrease the number of zeros of the transversal filter required to carry out a given filtering, and therefore to decrease the number of stages of the cross filter.
  • FIG. 1 represents an embodiment of the device according to the invention.
  • Two analog filters 1 are connected in series with a transverse charge transfer filter 2, downstream and upstream thereof.
  • two analog filters 1 are shown, but the invention applies to cases where one or more analog filters are connected in series with a transverse charge transfer filter.
  • the invention covers all the relative position modes of the charge transfer filter and of the analog filter or filters.
  • the analog filters must be at least second order to be able to reduce, in a given frequency band, the attenuation provided by the charge transfer filter, at its sampled input voltage E 1 .
  • the loss, Aff is, by definition, 20 log lo (input voltage / output voltage).
  • an analog filter constituted in a known manner by a network of resistors, inductors and capacitors, processes an analog signal, as opposed to digital filters, such as charge transfer filters, which process samples of the signal analog to filter.
  • Analog filters can also be produced by combining one or more active amplifiers, using bipolar or MOS type transistors, and networks of resistors and capacitors.
  • Each resistor can also be replaced by a combination of two MOS transistors operating in switching mode and with a capacity, the filters thus produced are called filters with switched capacities.
  • filters have been described in particular in the American review “IEEE Journal of Solid-State Circuits Volume SC 12 Number 6, of December 1977, pages 592 to 608.
  • FIG. 1 an embodiment of an analog filter is shown. 1, of the second order, with switched capacities.
  • the weighting means are constituted by weighting electrodes 20 inserted in the shift register R with the electrodes transfer 30. Each weighting electrode is divided into at least two elementary electrodes separated according to the direction of charge transfer by a cut-off, a weighted amount of charge can therefore be collected under each elementary electrode.
  • a single transfer electrode is interposed between each weighting electrode and each weighting electrode is divided into two elementary electrodes.
  • the reading means are constituted in a known manner by two devices for reading the charges in current or in voltage Dp and D N.
  • These devices convert the charges into output voltage, and. are coupled to two collection lines Lp and L N of the quantities of weighted charges of two elementary electrodes of each weighting electrode.
  • the means fixing the sign of the weighting coefficients and the means of summing the quantities of weighted loads comprise a unit gain differential amplifier 4 receiving the signals from the charge reading devices and supplying the output signal S 1 of the charge transfer filter.
  • the transfer and weighting electrodes ensure on periodic application of given potentials, respectively ⁇ 1 and ⁇ 2 , the charge transfer in the substrate.
  • the potential ⁇ 2 can be applied to the elementary electrodes under which charges are taken via the reading devices, Dp and D N.
  • the means of injection and discharge of the charges are symbolically represented and identified by 5 and 6.
  • Figures 2a, b, c, d show curves schematically showing the variations in the attenuation provided by two analog filters, a transverse charge transfer filter and a device according to the invention comprising these two filters in series with the filter with charge transfer, as a function of the ratio f / f c , f being the operating frequency and f c the cut-off frequency of the device.
  • the analog filters decrease in the frequency band b, FIGS. 2a and b, the attenuation brought by the charge transfer filter at its sampled input voltage, FIG. 2c.
  • Analog filters increase the attenuation due to the transverse charge transfer filter outside the band b. Outside of band b, the weakening of the device is very high and greater than 40 decibels.
  • FIG. 3 represents an embodiment of a transverse charge transfer filter with positive weighting coefficients.
  • a weighted charge quantity is collected under one of the elementary electrodes of each weighting electrode 20 by a collection line L, constituting the means for summing the transverse filter.
  • the means for reading the quantities of electrical charges and the means fixing the sign of the weighting coefficients are constituted by a device for reading the charges, in current or in voltage D, coupled to the collection line, and providing the electrical output signal. of the fife.
  • the device D receives a clock signal H of the same frequency as the signals ⁇ 1 , and ⁇ 2 .
  • a transverse charge transfer filter with positive weighting coefficients has the advantage of not having a differential amplifier, which is always difficult to integrate.
  • FIG. 4 represents an embodiment of an amplifier which can be used in an analog filter with switched capacities, such as the amplifier 3 represented in FIG. 1.
  • the gain of the amplifier is substantially equal to 2.
  • This amplifier has two capacitors C 1 and C 2 which are periodically switched in parallel and in series by MOQ transistors operating in switching mode. The same voltage E 2 simultaneously charges the capacitors switched in parallel and an amplified voltage is obtained between the extreme terminals A and B of the capacitors switched in series.
  • the two capacities are switched in parallel by the MOS transistors T 11 , and T 12 , connected by their drain and their source between on the one hand the extreme terminal A of the capacity C 1 , and a terminal of the capacity C 2 other than the extreme terminal B and on the other hand the input where a voltage E 2 is applied and by the MOS transistor T, 3 , connected by its drain and its source, between a terminal of the capacitor Ci other than the extreme terminal A and the mass.
  • the extreme terminal B is connected directly to the ground.
  • the two capacitors are switched in series by a MOS transistor T 2 connected by its drain and its source between the terminals of the two capacitors other than the extreme terminals A and B.
  • the two groups of MOS transistors, T 11 , T 12 , T, 3 , and T 2 are controlled by periodic signals ⁇ 3 and ⁇ 4 applied to their gates and such that the two groups are not simultaneously conductive.
  • a MOS transistor T 3 controlled by switching by a periodic signal ⁇ 5 applied to its gate.
  • the transistor T 3 is made conductive during the time interval when the capacitors are switched in series by the signal ⁇ 4 to allow the transfer of the amplified voltage from the terminal A to the point F.
  • a capacitor C 20 can be connected between point F and mass. It allows the amplified voltage S 2 to be maintained at point F and the gain of the amplifier to be adjusted.
  • the voltage S 2 at F after the conduction of T 3 is written in the case where the two capacitors have the same value C:
  • a gain amplifier greater than 2 is easily produced by increasing the number of capacitors to be switched such as Ci and C 2 in FIG. 4 and the number of transistors, such as T 2 , T 11 , T 12 , T 13 , used to perform the switching.
  • An amplifier with switched capacitors such as that described above, can be easily integrated on the same semiconductor substrate since it consists only of capacitors and MOS transistors.
  • a switched capacity filter comprising one or more switched capacity amplifiers can therefore be easily integrated.
  • Another advantage of switched capacity amplifiers is their very stable, well-defined gain and low consumption.
  • the two capacitances C 1 and C 2 of the switched capacitor amplifier can be confused with one of the capacitors belonging to the network of capacitors and MOS transistors connected to each amplifier.
  • the amplifier shown in Figure 4 can be completed pa. a follower assembly, constituted for example by a single transistor or by a looped differential amplifier.
  • the device according to the invention can be fully integrated on the same semiconductor substrate in the embodiments where the analog filters can be integrated.

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Claims (9)

1. Filtervorrichtung, die die Überführung von elektrischen Ladungen in einem Halbleiter anwendet, mit wenigstens einem Analogfilter (1) in Reihe mit einem Transversalfilter (2), das mit Überführung elektrischer Ladungen arbeitet und gebildet ist aus :
- einem mit Ladungsverschiebung arbeitenden Schieberegister (R), das mehrere Stufen umfaßt und auf einem Halbleitersubstrat verwirklicht ist, das mit einer Isolierschicht bedeckt ist, wobei Verschiebeelektroden (30), welche diese Stufen bilden, auf der Isolierschicht zueinander parallel und transversal in Bezug auf die Richtung der Ladungen angeordnet sind und bei periodischem Anlegen gegebener Potentiale die Überführung der Ladungen in dem Substrat von einer Registerstufe zur nächsten gewährleisten ;
- Mitteln (5), welche die Injektion von Ladungen gewährleisten, die der abgetasteten elektrischen Eingangsspannung (E1) des Ladungsverschiebefilters entsprechen ;
- Wichtungsmitteln (P), die mit dem Ausgang der Registerstufen verbunden sind und die Menge der Ladungen, die jede Stufe durchquert haben, mit einem Wichtungskoeffizienten behaften ;
- Mitteln, die das Vorzeichen der Wichtungskoeffizienten festlegen ;
- Mitteln zum Summieren und Auslesen der gewichteten Ladungsmengen, wobei diese Mittel das elektrische Ausgangssignal (S1) des Ladungsverschiebefilters liefern ;
- Mitteln (6), die eine Beseitigung der Ladungen gewährleisten, die die letzte Registerstufe durchlaufen haben ; dadurch gekennzeichnet, daß das (die) Analogfilter wenigstens von der zweiten Ordnung ist (sind) und dazu beiträgt (beitragen), in einem gegebenen Frequenzband (b) die Schwächung zu vermindern, die durch das Ladungsverschiebefilter an ihrer abgetasteten Eingangsspannung bewirkt wird, so daß in diesem Frequenzband die durch die Filtervorrichtung verursachte Dämpfung Aff = 20 log10 E/S, wobei E und S die Eingangsspannung bzw. Ausgangsspannung der Vorrichtung ist, im wesentlichen gleich Null ist und außerhalb dieses Frequenzbandes (b) die durch das Ladungsverschiebefilter an ihrer abgetasteten Eingangsspannung verursachte Dämpfung zunimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wichtungsmittel gebildet sind aus Wichtungselektroden (20), die an dem Ladungsverschieberegister (R) mit den Überführungselektroden (30) verschachtelt sind, wobei jede Wichtungselektrode in wenigstens zwei Elementarelektroden unterteilt ist, die in Richtung der Ladungsüberführung durch einen Schnitt getrennt sind, wobei eine gewichtete Ladungsmenge unter jeder Elementarelektrode gesammelt werden kann und wobei die Überführungs- und Wichtungselektroden beim periodischen Anlegen gegebener Potentiale (φ1, φ2) die Überführung der Ladungen in dem Substrat gewährleisten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auslesen gebildet sind aus zwei Ladungslesevorrichtungen (Dp, DN), die an zwei Leitungen (Lp, LN) zum Einsammeln der gewichteten Ladungsmengen von zwei Elementarelektroden jeder Wichtungselektrode (20) angekoppelt sind und daß die Mittel, die das Vorzeichen der der Wichtungskoeffizienten festlegen, und die Mittel zum Summieren der gewichteten Ladungen einen Differenzverstärker (4) mit der Verstärkung eins umfassen, welcher die Signale empfängt, die von den Ladungslesevorrichtungen abgegeben werden und das elektrische Ausgangssignal (S1) des Ladungsverschiebungsfilters liefert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsverschiebefilter positive Wichtungskoeffizienten aufweist, wobei die Mittel zum algebraischen Summieren gebildet sind aus einer Leitung (L) zum Einsammeln der gewichteten Ladungsmengen einer Elementarelektrode jeder Wichtungselektrode (20), und wobei die Mittel zum Auslesen der elektrischen Ladungsmengen und die Mittel, die das Vorzeichen der Wichtungskoeffizienten festlegen, gebildet sind aus einer Ladungsauslesevorrichtung (D), die an die Sammelleitung angekoppelt ist und das elektrische Ausgangssignal des Filters liefert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Analogfilter ein Filter mit geschalteten Kapazitäten ist, das aus wenigstens einem Verstärker (3) und einem Netz von Kapazitäten und MOS-Transistoren, die im Schaltbetrieb arbeiten, gebildet ist, das mit jedem Verstärker verbunden ist und bei welchem die Kombination einer Kapazität und zweier MOS-Transistoren als Widerstand dient.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärker (3) Kapazitäten (C1, C2) aufweist, die periodisch durch im Schaltbetrieb arbeitende MOS-Transistoren parallel und in Reihe geschaltet werden, wobei dieselbe Spannung gleichzeitig die parallel geschalteten Kapazitäten auflädt und eine verstärkte Spannung zwischen den äußersten Anschlüssen A und B der in Reihe geschalteten Kapazitäten erhalten wird, wobei die Kapazitäten parallel geschattet werden durch MOS-Transistoren (T11, T12, die mit ihrer Drain-Elektrode und Source-Elektrode einerseits zwischen einen der Anschlüsse jeder Kapazität, darunter der äußerste Anschluß A der Kapazität C1, und zum anderen den Eingang, an den eine Spannung E2 angelegt ist, geschaltet sind, und durch MOS-Transistoren (T,3), die mit ihrer Drain-Elektrode und ihrer Source-Elektrode zwischen den anderen Anschluß jeder Kapazität und Masse geschaltet sind, wobei der äußerste Anschluß B direkt mit Masse verbunden ist, und wobei die Kapazitäten in Reihe geschaltet werden durch MOS-Transistoren (T2), die mit ihrer Drain-Elektrode und ihrer Source-Elektrode zwischen die Anschlüsse der Kapazitäten geschaltet sind, die nicht die äußersten Anschlüsse A und B sind, wobei die beiden MOS-Transistorgruppen (T11, T12, T13; T2), welche die Parallelschaltung und die Reihenschaltung gewährleisten, durch periodische Signale (ϕ3, ϕ4) gesteuert sind, die an ihre Gate-Elektroden angelegt sind und derart bescharfen sind, daß die zwei Gruppen nicht gleichzeitig leitend sind, und wobei dieser Verstärker vollständig auf einem selben Halbleitersubstrat integriert sein kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein MOS-Transistor T3 mit seiner Drain-Elektrode und seiner Source-Elektrode zwischen den äußersten Anschluß A und einen Punkt F geschaltet ist, der den Anschluß einer Kapazität C20 bildet, deren anderer Anschluß mit Masse verbunden ist, wobei der MOS-Transistor T3 im Schaltbetrieb arbeitet und durch ein periodisches Signal φ5 gesteuert ist, das an seine Gate-Elektrode angelegt ist, wobei der Transistor T3 während desjenigen Zeitintervalls leitend gemacht wird, wo die Kapazitäten durch das Signal φ4 in Reihe geschaltet sind, um die Überführung der verstärkten Spannung vom Anschluß A zu dem Punkt F zu gestatten, und wobei die Kapazität C20 die Aufrechterhaltung der verstärkten Spannung am Punkte F und die Einstellung der Verstärkung des Verstärkers gestattet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (C1, C2) des Verstärkers (3) mit einer Kapazität übereinstimmen, die zu dem Netz von Kapazitäten und MOS-Transistoren gehört, das mit jedem Verstärker verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie vollständig auf ein und demselben Halbleitersubstrat integriert ist.
EP79400865A 1978-11-21 1979-11-14 Die Ladungsübertragung in einem Halbleiter verwendende Filtervorrichtung Expired EP0011570B1 (de)

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FR7832765 1978-11-21

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EP0011570A1 EP0011570A1 (de) 1980-05-28
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JPS5574231A (en) 1980-06-04
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